基于双链路监测的地面应答器健康状态动态检测与评估

李正交 蔡伯根 杨吉 刘江

随着中国高速铁路列车运行控制技术的快速发展，地面应答器被大量应用于轨道交通［1］。以徐盐高速铁路为例，全长约314 km，需要供应和采购地面应答器1 600余台。目前，传统的“定期修”“故障修”运维模式无法及时有效地针对地面应答器的实时性能进行预测与判断［2-3］。

随着故障预测与健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技术的发展，符合中国高速铁路实际情况的故障预测与健康管理系统也应运而生，相继提出了面向工务、电务、供电等专业的综合维修一体化检测监测体系、电务安全监控技术体系（8D系统）、综合智能化电务监测维护系统、动车组PHM系统等故障预测与健康管理系统与体系，为实现电务设备由“故障修”到“状态修”的综合智能维护提供了可行途径［4-7］。

1 地面应答器智能维护需求分析

应答器传输系统是一种基于无线能量和数据非接触同步传输（Wireless Power and Data Transfer，WPDT）的列车点式定位系统，在列车通过应答器时实现能量与定位信息的双向传输。地面应答器是典型的电子设备，为实现对地面应答器的智能维护，可参考电子设备故障预测与健康管理标准（IEEE standard 1856）对其进行需求分析。

IEEE standard 1856描述了电子设备故障预测与健康管理（PHM）的实施过程［8］，其实施过程的功能框图如图1所示。

图1 电子设备PHM实施过程功能框图

根据图1可知，要实现地面应答器智能维护，至少要涵盖电子设备PHM中数据感知、健康监测与评估等过程。数据感知主要涉及地面应答器内在和外在的健康状态变量的提取；健康监测与评估过程实现对地面应答器健康状态变量的采集与传输，健康状态的检测、评估与预测，健康状态数据的显示等。健康状态的检测、评估与预测作为地面应答器智能维护的关键核心技术，其功能描述如下：①健康状态检测，根据系统正常运行状态，生成系统正常或异常状态指标；②健康状态评估，提供系统当前健康状态的信息；③健康状态预测，提供系统未来健康状态、剩余使用性能等指标。

鉴于地面应答器目前的维护技术现状，本文以高速综合检测列车动态检测作为智能运维的背景，重点研究地面应答器健康状态动态检测与评估技术。在高速检测列车通过地面应答器时，下行链路能量信号激活地面应答器开始工作，地面应答器将内部存储的报文通过上行链路发送给车载设备。目前，地面应答器健康状态动态检测的数据主要包括系统上行链路传输性能及应答器报文正确性分析，缺乏地面应答器双链路传输性能数据的监测，以及数据与系统内涵间的深层次挖掘与分析。

根据铁路现场应答器传输系统常见故障和实验室系统性能测试需求分析可知，影响应答器传输系统性能的因素有：车载BTM及天线参数，主要包括形状、尺寸、发射功率、工作频率、摆放位置等；应答器物理性能，主要包括天线品质因数、极性、阻抗匹配、系统灵敏度等；运行条件和环境，主要包括列车速度、相对间距、空间介质、环境温湿度等［9-12］。以上任意一项因素发生变化都将影响地面应答器的传输性能，造成系统工作性能的退化，进而影响系统工作状态，甚至导致失效。因此，可将地面应答器工作过程中的传输性能作为系统健康状态的表征，通过对地面应答器下行链路和上行链路构成的双链路数据进行检测来分析和评估系统健康状态。

2 基于双链路监测的地面应答器健康状态动态检测

2.1 地面应答器动态检测过程分析

为分析地面应答器双链路监测数据与系统工作性能的关系，需要对地面应答器动态检测过程，特别是地面应答器的内部物理性能、外部运行条件和环境进行分析。地面应答器健康状态动态检测示意图见图2，主要通过下行链路与上行链路实现对地面应答器的健康状态动态检测。

图2 地面应答器健康状态动态检测示意图

地面应答器内部模块按功能划分，主要包括无线能量收集模块与无线数据传输模块［13-15］。无线能量收集模块将车载天线发送的27.085 MHz能量信号转换为可供后级电路工作的电压信号，其内部电路主要包括天线补偿拓扑电路、AC/DC、滤波与稳压等能量转换电路；无线数据传输模块将应答器存储的报文以FSK信号发送给车载设备，其内部电路主要包括处理器电路、振荡电路、FSK选频电路及天线发送电路等。

地面应答器动态检测过程中，下行链路主要作用于地面应答器无线能量收集模块，并对后级上行链路产生影响；而上行链路主要反映无线数据传输模块的工作性能，部分动态指标也能间接反映无线能量收集模块的工作性能。地面应答器下行链路与上行链路动态传输过程中，极易受到车地相对位置、车地相对速度、空间环境介质等随机信息扰动的影响，造成系统健康状态数据发生随机变化［10-11，16］。因此，有必要基于地面应答器工作原理对双链路动态检测过程与健康状态数据进行深层次分析，理清地面应答器健康状态动态检测数据的表征涵义。

2.2 地面应答器下行链路动态检测

应答器传输系统下行链路信号磁感应强度（BZ）和地面应答器接收天线动态感应电压（IV⁃BA）是衡量应答器传输系统下行链路传输性能的2项重要参数［17］。但是铁路现场无法对上述参数进行直接监测与分析，也无法直接对下行链路传输性能进行评估，因此需要对地面应答器无线能量收集过程进行分析，搭建如图3所示的地面应答器下行链路动态检测等效阻抗模型［10，13，15］。

图3 下行链路动态检测等效阻抗模型

图3 中：虚框内为车地天线耦合过程，为简化电路分析暂不考虑天线内阻；LP、LS为天线固有电感，CP、CS为天线串行补偿拓扑，UP为车载天线的总电压，Z0为车载天线输入阻抗，D1、D2为半波整流电路，Co为滤波电容，Zo为负载等效阻抗。

传统射频能量收集系统评价指标主要包括能量转换效率、敏感性、最大激活电压、整流输出电压、负载电压电流等［15］。但地面应答器作为成品设备，在设备设计时暂未考虑对上述参数进行检测并传输给监测终端，因此无法采用传统射频能量收集系统评价指标对地面应答器下行链路动态检测过程进行分析。参考RFID标签动态性能检测方法，可采用实时阻抗测量方法对地面应答器下行链路动态检测过程进行分析［18］。

根据基尔霍夫电压定律可知，当车载天线经过地面应答器时，车载天线输入阻抗满足以下公式：

式中：M为车地天线间互感系数；ω为车载天线输入信号角频率；Zt为图3中端子3与4间的等效阻抗，包括负载、整流滤波和补偿拓扑的阻抗。

通过公式（1）可知，地面应答器下行链路动态检测时，车载天线的输入阻抗可以通过互感系数M反映车地相对位置、车地相对速度、空间环境介质等随机信息扰动对检测链路的影响，也可以通过LS和Zt来反映地面应答器无线能量收集模块性能的变化，且可以在铁路现场实时测量车载天线的输入阻抗。因此，对地面应答器下行链路的动态检测可通过测量车载天线的输入阻抗来实现。

2.3 地面应答器上行链路动态检测

目前，在地面应答器上行链路动态检测方面，研究成果相对成熟，国内外学者与研究机构提出了多 项可供 检测与 分析的 动态检 测指标［12，16，19］，按检测类型不同可以分为报文内容检测、波形数据检测和动态参数检测，如表1所示。

表1 应答器上行链路动态检测指标

报文内容检测主要对用户报文数据的正确性进行检测，波形数据检测主要对上行链路FSK信号特征进行分析，上述2类检测主要用于表征地面应答器无线数据传输模块的物理性能；动态参数检测涉及地面应答器无线数据传输的动态过程，不仅与地面应答器无线数据传输模块的物理性能有关，而且很大程度上取决于地面应答器无线能量收集模块的物理性能，以及列车运行条件与空间环境条件等因素。通过上述分析有助于深层理解地面应答器动态检测指标的表征涵义，进而合理地使用正确的检测指标来分析系统健康状态。

3 基于双链路检测数据的地面应答器健康状态评估

3.1 地面应答器健康状态评估流程

借鉴高铁接触网健康状态评估方法，确立基于集对分析与证据理论方法的5个步骤，对地面应答器健康状态进行评估［20］。地面应答器健康状态评估流程见图4。

图4 地面应答器健康状态评估流程

步骤1：根据前文分析的地面应答器动态检测参数，建立目标层、指标层、子指标层的健康状态评估指标体系，具体如图5所示，并根据动态检测的实际数据计算出其相对劣化度。为定量分析车载天线输入阻抗，选取车载天线输入阻抗主瓣区数据的最小值、最大值、标准差、平均值、峰度、偏态6项参数作为车载天线输入阻抗子指标层的特征值［21］。

图5 地面应答器健康状态评估指标体系

步骤2：对地面应答器健康状态进行划分，采用灵敏度分析法计算出子指标层各指标的常权重，采用层次分析法确定指标层的各评估指标的权重，最后根据各指标的相对劣化度得到其变权重。

步骤3：采用集对分析方法计算出子指标层各指标与地面应答器各健康状态等级之间的联系度，得到指标层各指标与地面应答器各健康状态等级之间的联系度。

步骤4：将步骤3中得到的指标层各指标与地面应答器各健康状态等级之间的联系度作为基本概率分配并进行修订，然后采用证据理论将修订后的基本概率分配和不确定度进行整合。

步骤5：在满足确定度的前提下，采用最大隶属度原则和置信度准则来判断整合结果，从而确定地面应答器的健康状态等级并给出分析结果。

3.2 基于双链路检测数据的健康指标权重确定

为发挥双链路动态检测模型与数据的优势，针对上节步骤2中采用灵敏度分析法计算子指标层各指标常权重进行实验设计。

灵敏度分析是研究系统中不同输入的不确定性对输出影响严重程度的方法。基于对地面应答器双链路动态检测的分析发现，影响地面应答器健康状态的因素主要有车地相对位置、车地相对速度、空间环境介质、系统物理性能等，可设计下述4类灵敏度分析实验，以确定系统健康状态指标权重值。

实验类型1：假设列车以120km/h的运行速度通过应答器，此时空间环境无杂质，以应答器和车载天线的相对高度h、相对位移X作为变量，分析车地相对位置变化下系统健康状态指标灵敏度。

实验类型2：改变列车运行速度，假设列车分别以120、150、200、250、300、350、400、450、500 km/h的速度通过空间环境无杂质的地面应答器，车载天线与地面应答器相对安装高度h=220 mm，分析列车运行速度变化下系统健康状态指标灵敏度。

实验类型3：假设列车以120 km/h的运行速度通过应答器，此时空间环境有杂质，应答器和车载天线的相对安装高度h=220 mm，分析空间损耗介质变化下系统健康状态指标灵敏度。

实验类型4：假设列车以120 km/h的运行速度通过应答器，此时空间环境无杂质，应答器和车载天线的相对安装高度h=220 mm，分析地面应答器物理性能变化下系统健康状态指标灵敏度。

根据上述实验灵敏度分析结果，确定地面应答器健康状态子指标层的各评估指标的常权重。

4 结语

本文结合地面应答器动态检测实际情况，通过对智能维护需求分析以及动态检测过程分析，提出了基于双链路监测的地面应答器健康状态动态检测指标与评估方法，对于完善地面应答器健康状态指标体系，实现地面应答器视情检修，提高地面应答器维修效率具有积极的推动意义。

地面应答器健康状态评估是地面应答器故障预测与健康管理的热点，能够有效地评估地面应答器的工作性能与工作条件，为地面应答器视情检修提供参考。除了系统健康状态评估外，对于地面应答器剩余使用寿命预测的研究将是未来地面应答器故障预测与健康管理新的关注点，而地面应答器的物理功能退化性、空间环境时变性、运行状态切换性等特点，也为地面应答器剩余使用寿命预测带来了一定的挑战性。